Wherelse Blog

GPS导航电文格式

2020-02-18 · 6 min read
笔记

GPS Navigation Message Format

什么是导航电文

卫星导航电文是由导航卫星播发给用户的描述导航卫星运行状态参数的电文,包括系统时间、星历、历书、卫星时钟的修正参数、导航卫星健康状况和电离层延时模型参数等内容。导航电文的参数给用户提供了时间信息,利用导航电文参数可以计算用户的位置坐标和速度

导航电文的结构

导航电文每帧长1500比特,时长30s,每帧导航电文包括5个子帧,每个子帧长300比特,时长为6s。每个子帧又由10个字组成,每个字长30比特。每个子帧前两个字为遥测字(TLW)和交接字(HOW),后8个字为数据块。下图为导航电文结构示意图

遥测字(TLM)

遥测字的30比特中,前8比特位固定值为10001011的同步码,9-22比特为遥测码,包含遥测信息,23、24比特保留,最后6比特位奇偶校验码。同步码用来匹配接收到的数据码,实现搜索确定子帧的起始位置,为后续解帧提供条件。

交接字(HOW)

交接字紧接在遥测字之后,交接字的1-17比特为Z计数器上得到的截短的周内时计数值。第18比特是警告标识,当标志为1时,警告该卫星第一数据块提供的URA值有可能比其真实值要大,第19比特是A-S标志,当标志为1时表示对这颗卫星实施了反电子欺骗措施。第20-22比特是子帧识别标志,对应001-101,用于识别这是第几个子帧。第23和24比特是通过计算得出的可以使最后6位奇偶校验码以00结尾的值,最后6位位奇偶校验位。

第一数据块

第一个数据块包括第1个子帧的3-10字,为时间信息等,提供卫星的时间校正参数和健康状态等。

  • 星期数,每周星期数值+1,最大值为1023,若超过1023就会回零。
  • 用户测距进度精度(URA),是对所有由GPS地面监控部分和空间星座部分引起的误差的一个统计值,0-15变化,URA数值越大,则表示从这颗卫星得到的GPS距离测量值精度越低。
  • 卫星健康状况:共6比特,最高位0表示导航电文正确,1表示导航电文存在错误,后5位表示不同的错误状态。
  • 时钟校正参数:用来修正卫星时钟的钟差。
  • 群波延时校正值:单频接收机利用该值校正群波延迟。
  • 时钟数据期号:用10比特数据表示时钟数据块的“期号”,告诉接收机在时钟校正数据更新时才去处理数据中的时钟校正参数。

第二数据块

第二数据块由第2子帧和第3子帧组成,提供卫星星历参数,同来描述卫星各个时刻的空间位置和运行速度。一套星历的有效时间为4小时,一般使用第2子帧和第3子帧都播发的8比特星历数据期号来确定有没有过期。GPS卫星星历参数如下表:

序号 名称 功能
1 toet_{oe} 星历参考时间
2 as\sqrt a_s 卫星轨道长半轴asa_s的平方根
3 eie_i 轨道偏心率
4 i0i_0 toet_{oe}时的轨道倾角
5 Ω0Ω_0 周内时等于0时的轨道升交点赤经
6 ω\omega 轨道近地角距
7 0M_0 toet_{oe}时的平近点角
8 Δn\Delta n 平均运动角速度校正值
9 i.\stackrel{.}{i} 轨道倾角对时间的变化率
10 Ω.\stackrel{.}{Ω} 轨道升交点赤经对时间的变化率
11 CucC_{uc} 升交点角距余弦调和校正振幅
12 CusC_{us} 升交点角距正弦调和校正振幅
13 CrcC_{rc} 轨道半径余弦调和校正振幅
14 CrsC_{rs} 轨道半径正弦调和校正振幅
15 CicC_{ic} 轨道倾角余弦调和校正振幅
16 CisC_{is} 轨道倾角正弦调和校正振幅

第三数据块

第三数据块由第4帧和第5帧构成,播发所有卫星的历书参数、电离层校正参数、GPS时间与UTC时间的关系、卫星健康状况等。
一帧中的第4和第五子帧没有足够空间播发所有卫星的历书参数,采用分页的办法。

  • 第4子帧的2,3,4,5,7,8,9,10页提供PRN号为25-32号卫星的历书。
  • 第4子帧的第18页提供电离层校正参数以及GPS时间UTC之间关系的参数。
  • 第4子帧第25页提供PRN号为25-32号卫星的卫星健康状况。
  • 第5子帧1-24页提供PRN号为1-24号卫星的历书。
  • 25页提供PRN号为1-24号卫星的健康状况,历书参考时间和历书参考星期数。

GPS卫星历书参数如下表:

序号 名称 功能
1 toat_{oa} 历书参考时间
2 as\sqrt a_s 卫星轨道长半轴asa_s的平方根
3 ese_s 轨道偏心率
4 δi\delta {_i} 相对于0.3ϕ\phi的轨道倾角
5 Ω0Ω_0 周内时等于0时的轨道升交点赤经
6 ω\omega 轨道近地角距
7 0M_0 toat_{oa}时的平近点角
8 Ω.\stackrel{.}{Ω} 轨道升交点赤经对时间的变化率
9 af0a_{f0} 卫星时钟校正参数
10 af1a_{f1} 卫星时钟校正参数

参考文献

GPS原理与接收机设计-谢钢著